Thiết kế bộ lọc mục tiêu di động mti số cho radar xung tương can,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

Đối với các đài radar thế hệ cũ, để tách mục tiêu di động từ nền nhiễu tiêu cực người ta sử dụng các bộ lọc MTI tương tự mà tiêu biểu là bộ bù khử qua chu kỳ với tín hiệu được làm trễ bằ

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC

Cơ quan công tác: Trường Cao Đẳng Kinh Tế Kỹ Thuật Phú Lâm

Khoá: 20-1

Cán bộ hướng dẫn: GS-TS Lê Hùng Lân Bộ môn: Kỹ Thuật Viễn Thông

1 Tên đề tài :

Thiết kế bộ lọc số lọc mục tiêu di động MTI số cho radar xung tương can

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

- Thiết kế bộ lọc mục tiêu di động MTI số

- Chống nhiễu tiêu cực cho radar

- Mô phỏng mô hình thiết kế bằng phần mền Matlab

3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được: Nghiên cứu các đề tài, các

công trình khoa học có liên quan làm cơ sở phát triển đề tài và tiến hành mô phỏng mô hình với các thông số thay đổi để kiểm nghiệm và đánh giá một bộ lọc miền thời gian đơn giản, giá thành rẽ và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống radar ngày nay

4 Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn:

MỤC LỤC

TRÍCH YỀU LUẬN VĂN CAO HỌC i

MỤC LỤC ii

MỞ ĐẦU iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ RADAR XUNG TƯƠNG CAN 1

1.1 Cấu trúc radar xung tương can 1

1.2 Phổ tín hiệu phát và thu của radar xung tương can 4

1.3 Hiệu ứng Doppler đối với tín hiệu radar 7

1.3.1 Khái niệm 7

1.3.2 Sự hình thành và công thức toán học của hiệu ứng Doppler 7

1.3.3 Mối quan hệ giữa pha của tín hiệu phản xạ và tần số Doppler 10

1.4 Nhiễu tiêu cực 12

1.4.1 Khái niệm nhiễu tiêu cực 12

1.4.2 Sự khác biệt giữa nhiễu tiêu cực và mục tiêu 13

1.4.3 Các biện pháp chống nhiễu tiêu cực 13

1.4.4 Đặc tính phổ năng lượng của nhiễu tiêu cực 14

1.5 Kết luận chương 20

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TÁCH SÓNG PHA 21

2.1 Mô hình tách sóng pha 21

2.2 Bộ tách sóng pha 1 kênh và 2 kênh trong radar xung tương can 22

2.2.1 Bộ tách sóng pha một kênh 22

2.2.2 Bộ tách sóng pha 2 kênh (cầu phương) 25

2.3 Tín hiệu đầu ra của tách sóng pha 28

2.4 Phân bố phổ của mục tiêu và nhiễu tiêu cực sau bộ tách sóng pha 30

2.5 Kết luận chương 31

CHƯƠNG 3: BỘ LỌC SỐ SỬ DỤNG TRONG RADAR VÀ BỘ LỌC MTI

(Moving Target Indicator) 32

3.1 Phân loại bộ lọc tương tự và bộ lọc số: 32

3.2 Bộ lọc số là gì ? 33

3.3 Các dạng bộ lọc số 34

3.4 Moving Target Indicator (MTI) dùng trong radar 36

3.4.1 Bộ bù khử qua chu kỳ một lần 39

3.4.2 Bộ bù khử qua chu kỳ hai lần 42

3.4.3 Bộ bù khử qua chu kỳ một lần có hồi quy(đệ quy) 44

3.4.4 Đánh giá chất lượng của các bộ bù khử 47

3.5 Chọn lựa bộ lọc MTI cho đề tài 51

3.6 Đánh giá chất lượng: 53

3.7 Kết luận chương 56

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ MÔ PHỎNG 57

4.1 Thiết kế bộ lọc 57

4.1.1 Chọn bộ A/D 57

4.1.2 Chọn bộ giữ chậm 59

4.1.3 Chọn đầu ra của bộ lọc 60

4.2 Mô tả hoạt động của mô hình thiết kế 61

4.3 Mô Phỏng 63

4.3.1 Tín hiệu ra khỏi bộ tách sóng pha 65

4.3.2 Mô Phỏng bộ biến đổi A/D 68

4.3.3 Quá trình bù khử qua chu kỳ 71

4.3.4 Tín hiệu qua bộ biến đổi D/A 79

4.4 Kết luận chương 82

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 84

LỜI CÁM ƠN 85

LỜI CAM ĐOAN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Khi radar hoạt động tín hiệu mà radar thu nhận gồm cả tín hiệu phản xạ về

từ mục tiêu di động (máy bay) và nhiễu tiêu cực (tín hiệu phản xạ từ các mục tiêu cố định như đồi núi, mây, mưa,…) Vì vậy chức năng của các bộ xử lý tín hiệu trong radar là phải loại bỏ được các nhiễu tiêu cực, chỉ còn lại mục tiêu di động Đối với các đài radar thế hệ cũ, để tách mục tiêu di động từ nền nhiễu tiêu cực người ta sử dụng các bộ lọc MTI tương tự mà tiêu biểu là bộ bù khử qua chu

kỳ với tín hiệu được làm trễ bằng các dây giữ chậm siêu âm, chất lỏng (thủy ngân,…) Tuy nhiên việc sử dụng các bộ lọc tương tự không đảm bảo được độ

ổn định (độ chính xác về thời gian giữ chậm thấp), kích thước bộ lọc lớn, khó khăn trong việc bảo dưỡng

Do đó

Đối tượng nghiên cứu là việc ứng dụng kỹ thuật số vào các bộ lọc MTI thay thế

cho cho các bộ lọc MTI tương tự mà tiêu biểu là các bộ bù khử qua chu kỳ áp dụng kỹ thuật số với dung lượng bộ nhớ lớn, độ ổn định cao (do thời gian giữ chậm có độ chính xác cao), kích thước nhỏ gọn, dễ dàng trong việc bảo dưỡng

và đặc biệt là giá cả ngày càng hợp lý đã tạo một bước phát triển lớn trong kỹ thuật xử lý tín hiệu radar

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Trước khi đi vào thiết kế bộ lọc số lọc mục tiêu

di động MTI số cho radar xung tương can cần tìm hiểu các vấn đề liên quan

như: radar xung tương can, hiệu ứng Doppler, nhiễu tiêu cực, tín hiệu đầu ra bộ

tách sóng pha để từ đó làm cơ sở về mặt lý thuyết cho việc thiết kế bộ lọc MTI

Nhưng do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên em chỉ đi vào mô phỏng mô hình

thiết kế bằng phần mềm matlab mà không thực hiện phần cứng

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

- Thiết kế bộ lọc mục tiêu di động MTI số

- Chống nhiễu tiêu cực cho radar

- Mô phỏng mô hình thiết kế bằng phần mền Matlab

Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

- Tổng hợp phân tích và nghiên cứu tài liệu

- Nêu vấn đề và mô phỏng

- Phân tích đánh giá kết quả mô phỏng

Kết cấu của luận văn gồm 4 chương:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ RADAR XUNG TƯƠNG CAN

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TÁCH SÓNG PHA

CHƯƠNG 3: BỘ LỌC SỐ SỬ DỤNG TRONG RADAR VÀ BỘ LỌC MTI

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù đã cố gắng hoàn thành đề tài một cách

tốt nhất nhưng có thể vẫn còn những sai sót, mong thầy cô và các bạn đóng góp

thêm

TP.HCM, Ngày 20 tháng 05 năm 2014

Học viên: Lê Phước Hưng

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

2.6 Ảnh hưởng pha mù lên tách sóng pha 2 kênh 27

4.8

Tín hiệu đưa vào bộ biến đổi A/D sau lần phát xung đầu

4.12

Dữ liệu đưa vào bộ bù khử qua chu kỳ sau 3 lần phát xung

4.20 Tín hiệu ra khỏi bộ D/A đơn cực đối với 10 xung phát 82

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ RADAR XUNG TƯƠNG CAN

Ở chương này, khái niệm về radar xung tương can sẽ được giới thiệu qua, trong đó sơ đồ cấu trúc, phổ tín hiệu phát và thu của radar sẽ được trình bày một cách khái quát Hiệu ứng Doppler và ảnh hưởng của nó đối với tín hiệu radar cũng sẽ được đề cập đến Khái niệm nhiễu tiêu cực là gì, sự khác biệt giữa nhiễu tiêu cực và mục tiêu, các biện pháp chống nhiễu tiêu cực cũng như các đặc tính phổ năng lượng của nhiễu cũng sẽ được trình bày khái quát hóa trong chương này

1.1 Cấu trúc radar xung tương can

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc radar xung tương can

Giải thích sơ đồ:

- Chuyển mạch anten: Nối anten với máy phát trong thời gian phát xạ tín

hiệu và nối anten với máy thu trong thời gian thu tín hiệu

- Khuếch đại công suất: Khuếch đại tín hiệu từ bộ tạo dạng sóng lên mức

công suất cần thiết để đưa tới anten phát xạ vào không gian

- Bộ tạo dạng sóng: Tạo xung phát xạ RF ở mức công suất thấp

- Bộ trộn tần: Tạo tín hiệu RF do anten thu nhận được với tín hiệu của dao

động tại chỗ để tạo thành tín hiệu trung tần IF

- Dao động tại chỗ: Tạo dao động tại chỗ ổn định để đổi tần “xuống” cho

máy thu và đổi tần “lên” cho máy phát

- Trộn tần kích thích: Trộn tín hiệu của dao động tại chỗ và tín hiệu của

dao động kết hợp thành dao động cao tần có pha ổn định và tần số bằng tần số phát xạ

- Dao động kết hợp: Tạo ra dao động ổn định, được “khóa pha” với tần số

trung tần IF và được sử dụng làm tín hiệu pha chuẩn nội tại

- Khối đồng bộ: Tạo xung đồng bộ cho máy phát, màn hiện sóng và các

mạch phối hợp khác

- Khối khuếch đại trung tần IF: Khuếch đại tín hiệu trung tần đến mức

cần thiết

- Bộ tách sóng pha: Để biến đổi lượng dịch tần Doppler trong tín hiệu

phản xạ ở tần số trung tần IF thành các xung thị tần có biên độ thay đổi theo lượng dịch tần đó

- Bộ giới hạn đầu vào A/D: Để giới hạn tín hiệu đầu vào A/D giúp tránh

hiện tượng bão hòa

- Bộ A/D: chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

- Bộ bù khử qua chu kỳ: đóng vài trò là bộ lọc răng lược (chặn phổ của tín

hiệu địa vật, cho qua phổ tín hiệu mục tiêu di động)

- Bộ D/A: chuyển đổi tín hiệu đầu ra từ dạng số sang dạng tương tự cho

việc hiển thị và xử lý tiếp theo

Nguyên lý hoạt động:

+ Khi phát:

Bộ dao động kết hợp tạo ra dao động ổn định và được khóa pha với tần số trung tần IF, sau đó đưa đến bộ trộn tần kích thích, đồng thời bộ dao động tại chỗ cũng tạo ra tín hiệu dao động được đưa đến bộ trộn tần kích thích Bộ trộn tần kích thích trộn tín hiệu của dao động tại chỗ và tín hiệu của dao động kết

hợp thành dao động cao tần có pha ổn định và tần số bằng tần số phát xạ Tín hiệu này được đưa đến bộ tạo dạng sóng để tạo xung phát RF ở mức công suất thấp, sau đó tín hiệu này được đưa đến bộ khuếch đại công suất, khuếch đại lên mức công suất cần thiết rồi đưa đến bộ chuyển mạch anten, rồi đưa đến anten phát xạ ra ngoài (xem hình 1.2)

Hình 1.2 Tín hiệu phát của radar xung tương can

+ Khi thu:

Hình 1.3 Tín hiệu thu của radar xung tương can

Tín hiệu thu về từ anten (hình 1.3) được đưa đến bộ chuyển mạch anten, sau đó tín hiệu này được đưa đến bộ trộn, bộ trộn thực hiện kết hợp tín hiệu anten thu nhận được với tín hiệu của dao động tại chỗ để tạo thành tín hiệu trung tần IF Sau đó tín hiệu trung tần IF được đưa đến bộ khuếch đại trung tần để khuếch đại tín hiệu trung tần ở mức cần thiết và đưa tới bộ tách sóng pha Bộ tách sóng pha sẽ biến đổi lượng dịch tần Doppler trong tín hiệu phản xạ ở tần số trung tần IF thành các xung thị tần có biên độ thay đổi theo lượng dịch tần đó dựa trên sự khác pha của hai tín hiệu (tín hiệu pha chuẩn với tín hiệu phản xạ ở

tần số IF từ bộ khuếch đại IF) Sau đó tín hiệu này được đưa đến bộ giới hạn đầu vào A/D để tránh hiện tượng bão hòa của A/D khi mà tín hiệu đầu vào vượt quá dải động của A/D Tín hiệu từ bộ giới hạn đầu vào của A/D được chuyển thành tín hiệu số, và đưa đến bộ bù khử qua chu kỳ Bộ bù khử qua chu kỳ sẽ cho phổ của tín hiệu mục tiêu di động đi qua, chặn phổ của tín hiệu phản xạ từ địa vật Tín hiệu ra bộ bù khử được đưa đến bộ D/A để chuyển đổi thành tín hiệu tương

tự đơn cực và đưa đến màn hình hiển thị

1.2 Phổ tín hiệu phát và thu của radar xung tương can

a phổ tín hiệu phát:

Ta có tín hiệu phát xạ của radar xung là một chuỗi xung vuông có độ rộng

• cos (ω0t) là sóng mang cao tần ω0 =2 fπ0 (radian/s) ;

Hình 1.4 Tín hiệu phát miền thời gian

Qua một số phép biến đổi Fourier ta có phổ của tín hiệu phát xạ như sau:

] 2 2 ( ) 2 2 ( ).[

( )

T

n Sa T

A

n

π π ω δ π π ω δ πτ τ

T n

/

) / sin(

πτ πτ

Khi đó phổ của tín hiệu phát (vẽ nửa bên phải trục tọa độ)

Hình 1.5 Phổ của tín hiệu phát

Phổ của tín hiệu phát có đường bao dạng sin(x)/x, và có khoảng cách giữa các

b Phổ của tín hiệu thu:

Qua nhiều nghiên cứu, người ta đã chứng minh được rằng tín hiệu thu về của

đến trong phần 1.3) nên phổ của tín hiệu thu về như hình 1.6 (chỉ vẽ phần dương):

Hình 1.6 Phổ của tín hiệu phát và thu

Ta thấy phổ tín hiệu thu sẽ vẫn có dạng đường bao sin(x)/x, nhưng tần số

Thông qua việc phân tích phổ của tín hiệu phát và thu sẽ làm cơ sở để ta phân tích phổ của nhiễu tiêu cực và tín hiệu thực (tín hiệu mục tiêu) từ đó xây dựng bộ lọc cho những chương sau

1.3 Hiệu ứng Doppler đối với tín hiệu radar

1.3.1 Khái niệm

Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng vật lý, trong đó tần số và bước sóng của

tương đối giữa máy phát và máy thu (khoảng cách 2 đầu thu phát thay đổi)

Hình 1.7 Hiệu ứng Doppler ảnh hưởng đến sự thay đổi tần số và bước sóng

1.3.2 Sự hình thành và công thức toán học của hiệu ứng Doppler

Hình 1.8 Sự di chuyển tương đối giữa mục tiêu và radar

Ta có:

- Lần đầu do mục tiêu (máy bay) chuyển động tương đối so với đài với vận tốc

so với tần số mà đài radar phát ra f0 là:

radar được xem là chuyển động tương đối so với mục tiêu) khác với tần số tín

hiệu phản xạ từ mục tiêu f px:

c

V f

c

V c

V f

c

V f

0

c

V f

Khi đó lượng dịch tần Doppler được xác định:

λ

r r

t d

V f c

V f f

- V r: vận tốc xuyên tâm của mục tiêu (m/s)

Khi đó lượng dịch tần Doppler được xác định như sau:

) cos(

2

θ λ

vr d

Với:

• f d: tần số Doppler (Hz)

mục tiêu (độ)

Nhận xét:

Ta thấy rằng đối với tín hiệu phản xạ từ mục tiêu di động do vận tốc

tiêu cố định

Do đó nhờ hiệu ứng Doppler mà đài radar có thể phân biệt được mục tiêu

cố định và mục tiêu di động Đồng thời cũng nhờ hiệu ứng Doppler mà đài radar

có thể xác định được vận tốc chuyển động của mục tiêu

1.3.3 Mối quan hệ giữa pha của tín hiệu phản xạ và tần số Doppler

Hình 1.7* Sư thay đổi pha của tín hiệu thu so với tín hiệu phát

• f0 là tần số phát xạ của đài radar

Khoảng thời gian từ lúc radar phát tín hiệu cho tới khi nhận được tín hiệu phản

Từ công thức (1.12) ta có tần số tín hiệu nhận được là:

d r

c

f f dt

dr c

f f c

r t f dt

0 1 0

2 2

2 2

2

1

φ π

Với:

• f t là tần số tín hiệu thu (Hz)

công thức (1.13) là:

)

4 ( 2

1 ) 2 2 ( 2

1 2

λ

π π

π π

ϕ π

r dt

d c

f r dt

d dt

d

về là từ mục tiêu cố định (khoảng cách r giữa mục tiêu và đài radar không đổi theo thời gian)

Khi tần số Doppler khác không f d ≠ 0 thì sự khác pha giữa tín hiệu phát

và thu ϕ thay đổi theo thời gian Do đó tín hiệu phản xạ về là từ mục tiêu di động (khoảng cách r giữa mục tiêu và đài radar là thay đổi theo thời gian)

Nhận xét : Như đã phân tích ở trên do hiệu ứng Doppler nên có sự biến đổi tần

số của tín hiệu thu (tín hiệu phản xạ) và dẫn đến sự khác pha của tín hiệu thu so

đó trong radar xung tương can, người ta sử dụng bộ tách sóng pha để nhận được

sự khác nhau đó

1.4 Nhiễu tiêu cực

1.4.1 Khái niệm nhiễu tiêu cực

Nhiễu tiêu cực là nhiễu không có nguồn do các mục tiêu cố định hay các đám mây chấn tử, các vật thể khí tượng, địa vật gây ra trong tín hiệu thu của radar khi được chiếu xạ bởi tín hiệu phát của radar (tức là tự bản thân của nó không phát ra tín hiệu về phía radar mà nó chỉ phản xạ lại các tín hiệu về phía radar khi được chiếu xạ bởi tín hiệu phát từ radar) Ví dụ về nhiễu tiêu cực như: tín hiệu phản xạ từ đất, từ biển, từ rừng thưa, đồi cây… (xem hình 1.8*)

Hình 1.8* Nhiễu tiêu cực xung quanh đài radar

1.4.2 Sự khác biệt giữa nhiễu tiêu cực và mục tiêu

- Nhiễu tiêu cực thường là các mục tiêu phân bố, còn mục tiêu thực cần phát

hiện như là máy bay, tên lửa thường là các mục tiêu điểm

- Tốc độ chuyển động của các mục tiêu thực rất lớn hơn nhiều so với tốc độ chuyển động của các nguồn nhiễu tiêu cực (tốc độ chuyển động của máy bay, tên lửa cỡ hàng trăm, hàng ngàn Km/h, tốc độ di chuyển trung bình của đám mây nhiễu chấn tử và vật thể khí tượng bằng tốc độ gió cỡ hàng chục Km/h, còn của địa vật gần bằng không) Do đó độ dịch tần do hiệu ứng Doppler gây ra đối với tín hiệu phản xạ từ mục tiêu và nhiễu tiêu cực cũng khác nhau[4]

- Các vật thể khí tượng thường có dạng gần với hình cầu, còn các mục tiêu thường có dạng không đối xứng tâm Do đó độ phân cực của các tín hiệu phản

xạ từ mục tiêu và vật thể khí tượng cũng khác nhau

1.4.3 Các biện pháp chống nhiễu tiêu cực

Lợi dụng những khác biệt giữa nhiễu tiêu cực và mục tiêu di động có thể hình thành các phương pháp sau đây để chế áp nhiễu tiêu cực và tách mục tiêu ra khỏi nhiễu:

a, Giảm cường độ tín hiệu phản xạ từ nhiễu tiêu cực (tương đương với việc

giảm giá trị trung bình bề mặt phản xạ hiệu dụng tổng cộng của nhiễu tiêu cực

khi các tham số của các elip phân cực đối với tín hiệu có ích và nhiễu rất khác nhau (khi nhiễu tiêu cực là vật thể khí tượng hay mặt biển)

ở hướng có địa vật lớn

b, Chế áp nhiễu tiêu cực trong xử lý tín hiệu thu dựa trên sự khác nhau về

tần số của các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu và nhiễu tiêu cực do sự khác nhau về tốc độ dịch chuyển hướng tâm của mục tiêu và nguồn nhiễu tiêu cực

Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong các đài radar Hệ thống chống nhiễu tiêu cực theo phương pháp này có tên gọi là hệ thống tách mục tiêu

di động MTI (MOVING TARGET INDICATOR) Đây chính là lý do em chọn thiết kết bộ lọc số lọc mục số lọc mục tiêu di động MTI số cho radar xung tương can

1.4.4 Đặc tính phổ năng lượng của nhiễu tiêu cực

a Hàm mật độ phổ năng lượng của nhiễu tiêu cực

Phổ năng lượng tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phân bố (nhiễu tiêu cực) N(F) có

dạng gần với đường cong Gauss[4]:

Tức: N(F) = N(0)

F

2 2

Trong đó:

hài (xem hình 1.9)

hiệu phản xạ (hình 1.10)

Hình 1.9 Phổ tín hiệu phát (đơn hài)

Hình 1.10 Phổ của tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phân bố

b Các yếu tố ảnh hưởng đến độ mở rộng phổ của nhiễu tiêu cực

cực đại theo công thức :

61 , 0

σF là độ phân tán trung bình bình phương tần số Doppler trong phổ tín hiệu phản xạ Ta có độ mở rộng phổ tín hiệu phản xạ như hình 1.11

Hình 1.11 Phổ năng lượng thăng giáng tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phân bố

Là quy luật biến đổi mỗi thành phần phổ trong phổ tín hiệu xung phát xạ của radar thành phổ của tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phân bố

của nó có dạng đường cong Gauss xác định theo biểu thức:

p(τ ) =

) 0 (

) (

dF F

N ej F

) (

Hình 1.12 Phổ năng lượng tín hiệu phản xạ từ các loại mục tiêu phân bố

Trong hình 1.12 ta có:

So sánh phổ năng lượng của các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phân bố trong hình 1.12 ta thấy:

- Nhiễu tiêu cực từ địa vật có phổ hẹp nhất

Nguyên nhân chủ yếu gây tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phân bố là:

xung radar

Sự tác động của gió:

Sự thay đổi vị trí tương hổ giữa các phần tử bức xạ thứ cấp và chuyển

sóng hoạt động của đài radar

Vì sự dịch chuyển tương hổ giữa các phần tử bức xạ thứ cấp có thể theo các hướng bất kỳ nên xuất hiện độ phân tán trung bình bình phương tốc độ

Sự quay anten radar:

Khi quay anten radar thì:

- Tín hiệu phản xạ bị điều chế bởi giản đồ hướng của anten radar

- Thay đổi thành phần các vật phản xạ trong thể tích xung radar qua từng chu kỳ lặp lại T của xung phát Sẽ làm mở rộng phổ thăng giáng tín hiệu phản xạ

Độ phân tán trung bình bình phương tần số Doppler trong phổ tín hiệu phản xạ

do quay anten radar là:

σFA=

tcx

Π

7 , 0

≈

tcx

76 , 3

Sự không ổn định của thiết bị phát:

Sự không ổn định của của thiết bị phát cũng gây ra lượng phân tán trung

Tất cả các nhân tố làm mở rộng phổ năng lượng thăng giáng tín hiệu phản

xạ từ mục tiêu phân bố là độc lập với nhau Do vậy phổ năng lượng thăng giáng tín hiệu phản xạ tổng hợp của các nhân tố có thể tìm bằng phép biến đổi Fourier tích các hàm tương quan riêng của từng nhân tố và kết quả ta đạt được như sau:

số Doppler trong phổ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phân bố:

trong radar [4]

c Phân bố phổ của nhiễu tiêu cực trong tín hiệu thu của radar

Như đã phân tích trong phần 1.2 phổ của tín hiệu thu về có dạng đường bao sin(x)/x, và tần số thu bị lệch so với tần số phát f0 một lượng ∆f = f d với

d

Hình 1.13 Phổ tín hiệu thu liên quan đến tần số Doppler

hiệu nhận nằm ở vị trí ( f0 ± f d) + k f r với f r là tần số lặp lại xung, k là một số nguyên k = 0, 1, 2, Do đó với tần số Doppler của nhiễu tiêu cực gần bằng 0 thì

tần số f = 0 và một số nguyên lần tần số lặp lại của đài radar (kf r) với k = 1, 2 Như đã phân tích ở trên mật độ phổ của nhiễu tiêu cực có dạng hàm Gauss:

F c

P − − 

2

2 ) ( 2

ω ω

Với:

• PC là tổng công suất nhiễu

• σFlà độ phân tán trung bình bình phương tần số Doppler trong phổ tín hiệu phản xạ

• ω0 =2 fπ0 là tần số phát (radian/s)

Do đó phổ của nhiễu tiêu cực (khi loại bỏ thành tần số phát f0) có dạng như hình 1.14

Hình 1.14 Phân bố phổ của nhiễu tiêu cực

1.5 Kết luận chương

Chương 1 đã giới thiệu qua về radar xung tương can, trong đó sơ đồ cấu trúc, phổ tín hiệu phát và thu của radar đã được trình bày một cách khái quát Hiệu ứng Doppler và ảnh hưởng của nó đối với tín hiệu radar Khái niệm nhiễu tiêu cực là gì, sự khác biệt giữa nhiễu tiêu cực và mục tiêu, các biện pháp chống nhiễu tiêu cực cũng như các đặc tính phổ năng lượng của nhiễu cũng đã được trình bày khái quát hóa trong chương này Qua đây, người đọc sẽ có những khái niệm cơ bản về nội dung khái quát của luận văn này

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TÁCH SÓNG PHA

Trong chương 2, nguyên lý hoạt động tách sóng pha sẽ được đề cập đến như nguyên lý cơ bản của hệ thống Phần cốt lõi của xử lý tín hiệu xung radar sẽ được trình bày với các nội dung như: Mô hình tách sóng pha, bộ tách sóng pha 1 kênh và 2 kênh, tín hiệu đầu ra của tách sóng pha Phân bố phổ của mục tiêu và nhiễu tiêu cực sau bộ tách sóng pha cũng sẽ được trình bày trong chương này

V dc (t) = Asin (θi -θ0 ) Điện áp này tỷ lệ với biên độ điện áp vào A và độ sai pha

θe =θI -θ0 Nếu θe nhỏ, đặc tuyến của của bộ tách sóng pha trong phạm vi góc bé coi như tuyến tính [3],(xem hình 2.2)

v i = 2cos(ω0t + θ0)

Hình 2.2 Đặc tuyến của bộ tách sóng pha tương tự

2.2 Bộ tách sóng pha 1 kênh và 2 kênh trong radar xung tương can

Do hiệu ứng Doppler, tín hiệu phản xạ thu được có sự thay đổi pha so với tín hiệu phát đi Người ta dựa vào bộ tách sóng pha để nhận biết sự thay đổi đó

và do vậy có thể sử dụng bộ lọc để tách tín hiệu có ích ra khỏi nhiễu (nhiễu tiêu cực) Đây là một trong các cơ sở để thiết kế bộ lọc MTI (Moving Target Indicator)

2.2.1 Bộ tách sóng pha một kênh

Hình 2.3 Mô hình tách sóng pha 1 kênh

Gọi tín hiệu dao động nội của radar ở trung tần là: U chuan(t)=U mchcos(2πf0t)vớif0tần số phát Gọi tín hiệu thu của radar sau một khoảng thời gian trễ

Asin(θe)

2 2 cos(

)

2 2 ) 2 ( 2 {cos(

2

) 2 ( 2 cos[

) 2 cos(

) ( ) (

0 0

0

0 0

c

r f c

r f t f U

U

c

r t f U

t f U

t U t

U

m mch

m mch

tin chuan

π π

π

π π

2 )

1

c

r f U

U t

Với: U mch, U mlà biên độ tín hiệu dao động nội và thu về, U rts1k(t) là điện áp tức

Ta viết lại công thức (2.2.2) thành:

) cos(

) 2 2 cos(

U U

f

vt

d

π π

) (

Khảo sát ảnh hưởng của pha mù lênh tách sóng pha một kênh:

hiệu phản xạ được đặc trưng bởi độ nhạy tách sóng pha:

2 , 1 , 0 , 0

sin 0

Quan sát hình 2.4 ảnh hưởng của pha mù lên tách sóng pha 1 kênh:

Hình 2.4 Ảnh hưởng của pha mù lên tách sóng pha 1 kênh

Ta gọi a1, a2,a3, ,an là biên độ ra tách sóng pha sau các chu kỳ lặp lại T

0, a3 = a4, nên a3-a4 = 0, do đó tín hiệu ra sau bộ bù khử qua chu kỳ là bằng không, hay nói cách khác là không nhận biết được mục tiêu di động

Nhận xét:

Đầu ra của bộ tách sóng pha là một hàm cos hay sin có biên độ ra phụ thuộc vào sự khác pha 2 tín hiệu đầu vào Và cũng thông qua bộ tách sóng pha ta

có thể tìm được lượng dịch tần Doppler của tín hiệu phản xạ Do đó căn cứ vào

sự thay đổi biên độ ra đầu ra tách sóng pha ta có thể phân biệt được tín hiệu có ích (tín hiệu phản xạ từ mục tiêu) và nhiễu tiêu cực

Đối với tách sóng pha một kênh được sử dụng trong bộ xử lý MTI số đơn kênh Ưu điểm của bộ tách sóng pha một kênh này là đơn giản, dễ thực hiện nhưng nhược điểm của nó là có hiện tượng pha mù Do đó người ta sử dụng bộ

tách sóng pha 2 kênh để khắc phục nhược điểm trên của bộ tách sóng pha 1 kênh

2.2.2 Bộ tách sóng pha 2 kênh (cầu phương)

Ta có tín hiệu nhận được sau khi biến đổi trung tần được đưa đến bộ tách sóng pha, bộ tách sóng pha này chuyển đổi tín hiệu trung tần về băng tần gốc trong khi vẫn giữ được thông tin về sự dịch pha của tín hiệu do hiệu ứng Doppler

Để loại bỏ pha mù tại đầu ra của tách sóng pha một kênh, bộ tách sóng pha cầu phương chia tín hiệu dao động nội đầu vào thành hai đường đưa đến 2

trên 2 kênh không còn hiện tượng pha mù[4],[8]

Cụ thể như sau:

Ta ký hiệu sự khác pha của 2 tín hiệu dao động nội và tín hiệu thu được là

φωφ

π

ϕ = 2 f d t+ = d t+ , φ là pha ban đầu của tín hiệu

Hình 2.5 Bộ tách sóng pha hai kênh I và Q

Ta có:

- Tín hiệu thu về trung tần:

U tin(t) =U mcos( 2 π (f0+ f d)t+ φ ) =U mcos(( ω0+ ωd)t+ φ ) (2.2.8)

- Tín hiệu chuẩn gồm U Ichuan(t) =U mchcos( ω0t)và U Qchuan(t) =U mchsin( ω0t) (2.2.9)Trong đó:

• ω0 là tần số phát của radar (ω0=2 fπ 0)

• ωd là lượng dịch tần Doppler (ωd = 2πf d)

• U mch là biên độ tín hiệu chuẩn

Tính hiệu đầu ra của bộ nhân hoặc bộ trộn tần được tính như sau:

- Trên kênh I:

) ( ) (t U t

U Ichuan × tin = U mcos[ (ω0+ ωd)t+ φ] U mch cos(ω0t)

= U mch U m ( ωt+ φ)

0

2 cos

- Tín hiệu ra khỏi bộ tách sóng pha là một tính hiệu phức:

) ( )

U U

1

tanφ

ω

• ξI là độ nhạy tách sóng pha kênh I

• U Irts(t),U Qrts(t) tín hiệu ra tách sóng pha kênh I, Q U mtslà biên độ ra tách sóng

nói cách khác trong tách sóng pha 2 kênh sẽ không còn hiện tượng pha mù (xem hình 2.6)

Hình 2.6 Ảnh hưởng pha mù lên tách sóng pha 2 kênh

lại xung phát T Đầu ra mỗi kênh I, Q được đưa đến mỗi bộ bù khử tương ứng

tại đầu ra của bộ bù khử qua chu kỳ là tổng điện áp đầu ra bộ bù khử trên kênh I

và Q nên sẽ khác không Do đó pha mù sẽ không ảnh hưởng lên bộ tách sóng pha 2 kênh Chi tiết các bộ bù khử qua chu kỳ (bộ lọc MTI) sẽ được đề cập trong chương 3

Hình 2.7 Tín hiệu ra của kênh I và Q

Do tín hiệu đầu ra có biên độ bằng tổng của hai kênh I và Q nên sẽ khắc phục được hiện tượng pha mù tại đầu ra tách sóng pha

2.3 Tín hiệu đầu ra của tách sóng pha

Hình 2.8 Tín hiệu đầu ra bộ tách sóng pha sau một vài lần phát xung

Hình 2.9 Sự thay đổi pha và biên độ của tín hiệu sau bộ tách sóng pha

Ta thấy tín hiệu đầu ra của bộ tách sóng pha Đối với mục tiêu cố định thì biên độ không thay đổi qua các chu kỳ phát xung, còn đối với mục tiêu đi động thì biên độ tín hiệu thay đổi do pha của tín hiệu phản xạ về mục tiêu di động liên tục thay đổi[8]

Do đó ta thấy được sự khác biệt về pha của tín hiệu thu và tín hiệu phát:

λ

π λ

π

=

=

Nếu như cự ly giữa mục tiêu và đài radar r thay đổi theo thời gian thì sự

chính là dấu hiệu nhận biết mục tiêu di động

Nếu như cự ly giữa mục tiêu và đài radar r không đổi theo thời gian thì sự

thời gian, đây chính là dấu hiệu nhận biết mục tiêu cố định

Quan sát trên hình trên ta thấy khi cự ly mục tiêu di động thay đổi một lượng

4

Dựa trên sự khác biệt về đặc điểm biên độ đầu ra tách sóng pha giữa tín hiệu phản xạ về từ mục tiêu cố định và mục tiêu di động mà người ta có thể sử dụng bộ bù khử qua chu kỳ (bộ lọc miền thời gian) thích hợp để loại bỏ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu cố định, chỉ còn lại tín hiệu phản xạ từ mục tiêu di động

2.4 Phân bố phổ của mục tiêu và nhiễu tiêu cực sau bộ tách sóng pha

Tín hiệu đầu ra bộ tách sóng pha như đã phân tích ở phần 2.3 bao gồm cả nhiễu tiêu cực và tín hiệu của mục tiêu di động

Theo công thức (2.2.5) ta có tín hiệu đầu ra tách sóng pha:

) 2 cos(

) (

U rts k = mts π d

Như đã phân tích phần 1.4.4 (trong phần c) thì phân bố của nhiễu tiêu cực

(với k = 1, 2, 3…), còn đối với tín hiệu của mục tiêu di động thì lượng dịch tần Doppler lớn nên phổ của tín hiệu ra sau bộ tách sóng pha như hình 2.10

Hình 2.10 Phân bố phổ nhiễu tiêu cực và mục tiêu di động

nhiễu tiêu cực và cho mục tiêu di động đi qua ta chọn bộ lọc có đáp ứng tần số dạng răng lược (có các khe tại tần số lặp lại xung phát của radar) có dải chặn sâu